趙云峰 凌威 武曉濤 戴寒怡 魏芹 程超

1.中國移動通信集團江蘇有限公司宿遷分公司；2.中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

我國已正式進入5G時代。據(jù)預測，未來5G網(wǎng)絡的移動數(shù)據(jù)流量將比4G網(wǎng)絡增長500-1000倍，典型用戶數(shù)據(jù)速率提升10-100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps或更高，端到端時延縮短5-10倍，網(wǎng)絡綜合能效提升1000倍。這些性能的取得，主要依靠5G系統(tǒng)中的幾大關鍵技術：大規(guī)模天線（Massive MIMO）、超密組網(wǎng)（UDN）、新空口（NR）等。本文重點研究超大規(guī)模多進多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）天線及其權值應用。

1 MIMO技術簡介

MIMO技術利用空間信道的多徑效應，在發(fā)射端和接收端分別設置多個天線，通過分集或者復用的方式，獲取信道傳輸?shù)目煽啃院吞岣呦到y(tǒng)容量。MIMO技術早在4G時代就已經(jīng)被廣泛使用，TD-LTE廣泛支持的MIMO為8天線。5G中MIMO天線技術更加成熟，可以實現(xiàn)16/32/64/128天線，甚至更大規(guī)模。

2 Massive MIMO天線特性

2.1 分集特性

分集特性就是通過多端口重復發(fā)送相同數(shù)據(jù)來降低空間傳輸誤碼率，實現(xiàn)分集增益。分集特性在前幾代通信系統(tǒng)中應用比較成熟，不是Massive MIMO的設計初衷。終端在多個天線（通道）重復發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，分集特性如圖1所示。

圖1 MIMO分集的示意結構

2.2 復用特性

根據(jù)香農(nóng)公式，一個通信系統(tǒng)的容量主要與該系統(tǒng)的帶寬和系統(tǒng)的信噪比有關。系統(tǒng)的帶寬不可能無限制地增加，也不可能靠無限制增加發(fā)射端的輸出功率來提高信噪比，這樣就導致系統(tǒng)容量受限。MIMO技術通過等效信道的增加，成倍地增加了系統(tǒng)容量。空間多信道擴展后的香農(nóng)公式如式1所示。

其中，C為系統(tǒng)容量，W為帶寬，m為等效信道數(shù)，σ為信道平衡度，P為每信道接收功率，N為噪聲，I為干擾。根據(jù)該公式，發(fā)送端在T1時刻通過多信道（通道）同時發(fā)送多個信息，接收端分別接收每個信道（通道）上的信息，相對于分集接收中發(fā)送端和接收端的通信方式，系統(tǒng)容量得到成倍的增加。如圖2所示。

圖2 MIMO復用特性

2.3 波束賦形

波束賦形就是根據(jù)特定場景自適應地調(diào)整天線陣列輻射圖的一種技術。傳統(tǒng)的天線通信方式是基站與手機間的單天線發(fā)射到單天線接收的電磁波傳輸，在沒有物理調(diào)節(jié)的情況下，其天線的輻射方位是固定的。在波束賦形技術中，基站側有多個天線，基站自動調(diào)整各個天線發(fā)射信號的相位，使其在某一位置形成電磁波有效疊加，相應地，降低其他位置的電磁波信號強度，提高接收信號的質(zhì)量。如圖3所示。

圖3 廣波束覆蓋與波束賦形覆蓋

3 提升系統(tǒng)容量的方法

根據(jù)MIMO復用特性中的多信道香農(nóng)公式，提高系統(tǒng)容量的方法主要有3個：提高帶寬、增加信道和增加功率。

3GPP定義了5G頻率范圍（Frequency Range，F(xiàn)R）和帶寬。其中頻率范圍分為2個，即FR1（450MHz-6GHz）和FR2（24GHz-52GHZ），一般稱FR2為毫米波。一般小區(qū)分配的帶寬是固定的，Sub6G小區(qū)可以分配的最大帶寬為100MHz，無法通過無限制地增加系統(tǒng)帶寬提高系統(tǒng)容量。

再回到多信道香農(nóng)公式中，如何增加每信道接收功率（Pr）是提高系統(tǒng)容量的第三個研究方向。這里引入一個重要的天線理論公式——弗里斯傳輸公式，也被稱為功率傳輸方程。它將傳輸功率、天線增益、傳輸距離、波長與接收功率聯(lián)系起來。如式2所示。

其中，Pr為接收天線功率，Pt為發(fā)射天線功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收終端的天線增益，λ為工作波長，R為收發(fā)天線距離。Pt、λ、R、Gr和Gt基本受限于器件、資源和物理規(guī)律，無法有效地提升接收天線功率。波束賦形是通過調(diào)整天線權值改變天線陣列的輻射圖的技術，通過波束賦形，改變發(fā)射信號的相位，使其在終端接收點形成電磁波的有效疊加，產(chǎn)生更強的信號增益來克服損耗，從而達到提高接收信號強度的目的。

4 大規(guī)模MIMO權值設置與現(xiàn)網(wǎng)驗證

發(fā)射信號的調(diào)整改變了信號的輻射方向，每個天線陣子發(fā)射信號相位的改變有海量組合，從天線波形圖變化情況來看，主要是4個維度的變化：水平方向角（Az）、水平波瓣寬度（H）、垂直波瓣寬度（V）、電子下傾角（T），如圖4所示，其中θ表示水平方向角，δ表示下傾角。

圖4 3D方向與多波束

5G基于多天線技術引入廣播窄波束掃描，提供多樣化權值組合，滿足場景化覆蓋需求。場景化的5G廣播天線權值設置方案成為5G覆蓋研究的重要手段。根據(jù)中興區(qū)域5G站點覆蓋情況，選取了低層建筑、中層建筑、高層建筑等典型覆蓋場景，對同一場景設置不同的子波束權值，開展CQT（Call Quality Test，定點質(zhì)量測試）和DT（Drive Test，路測）測試，并根據(jù)測試結果對比分析，給出典型場景下波束權值建議。

本文采用“[Aw][Hx][Vy][Tz]”記錄方法表示權值調(diào)整情況，如“A10V6”代表調(diào)整水平方位角10°、垂直波瓣寬度6°。

4.1 獨棟高層建筑場景

綜合來看，對于獨棟超高層建筑場景，H15V30權值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表1、表2所示。

表1 獨棟高層建筑權值DT驗證結果

表2 獨棟高層建室內(nèi)CQT測試驗證結果

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4.2 連片高層建筑場景

DT測試范圍和結果與場景一相同。綜合來看，對于連片高層建筑場景，H65V30權值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表3、表4所示。

表3 連片高層建筑室內(nèi)CQT測試結果

表4 連片高層建筑室內(nèi)CQT測試結果

4.3 低層建筑場景

對于低層建筑場景，H30V15權值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表5所示。

表5 低層建筑場景室內(nèi)CQT測試結果

對于低層建筑場景，H45V15權值室外DT覆蓋效果最優(yōu)。如表6所示。

表6 低層建筑場景室外DT測試結果

對于低層建筑場景，綜合考慮室內(nèi)外覆蓋效果，建議選擇H45V15權值。

4.4 高低混合建筑場景

綜合來看，對于高低混合建筑場景，H30V30權值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表7所示。

表7 高低混合建筑場景室內(nèi)CQT測試結果

5 Massive MIMO天線權值應用建議

根據(jù)典型場景設置不同權值的測試結果分析，如表8所示。建議：

（1）對于超高層建筑場景，如寫字樓、高層住宅，推薦H15V30權值；

（2）對于連片高層建筑場景，如連片寫字樓、高層住宅，推薦H65V30權值；

（3）對于低層建筑場景，如低層居民區(qū)，根據(jù)本次所選擇測試區(qū)域推薦H45V15權值，實際配置時可結合覆蓋區(qū)域需求選擇H65V7、H65V15和H45V15等權值；

（4）對于高低混合建筑場景，如寫字樓+低層居民區(qū)，根據(jù)本次所選擇測試區(qū)域，推薦H30V30權值，實際配置時可結合覆蓋區(qū)域需求選擇H65V30、H65V15和H30V30等權值。

表8 不同場景的推薦天線權值

6 結束語

本文從MIMO原理上解釋了波束賦形對終端接收增益的提升，通過波束賦形和權值驗證各種場景適用的天線權值，并給出選用建議，為5G網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化提供了理論支撐和實踐參考。